第一章流体力学

理论，解释了阻力产生的机制。以后又针对 航空技术和其他工程技术中出现的紊流边界 层，提出混合长度理论。1918-1919年间， 论述了大展弦比的有限翼展机翼理论，对现 代航空工业的发展作出了重要的贡献。 卡 门（T.von Kármán，1881-1963）在19111912年连续发表的论文中，提出了分析带旋 涡尾流及其所产生的阻力的理论，人们称这 种尾涡的排列为卡门涡街。在1930年的论文 中，提出了计算紊流粗糙管阻力系数的理论 公式。嗣后，在紊流边界层理论、超声速空 气动力学、火箭及喷气技术等方面都有不少 贡献。
斯托克斯（G.Stokes，1819 －1903，英国）
流体力学的西方史
谢 才（A.de Chézy法国 ）
在1755年便总结出明渠均匀流 公式--谢才公式，一直沿用至今。
雷 诺（O.Reynolds，1842-1912）
1883年用实验证实了粘性流体 的两种流动状态──层流和紊流 的客观存在，找到了实验研究 粘性流体流动规律的相似准则 数──雷诺数，以及判别层流和 紊流的临界雷诺数，为流动阻 力的研究奠定了基础。
流体力学在中国
钱学森
钱学森（1911－）浙江省杭州市人， 他在 火箭、导弹、航天器的总体、动力、制导、 气动力、结构、材料、计算机、质量控制 和科技管理等领域的丰富知识，为中国火 箭导弹和航天事业的创建与发展作出了杰 出的贡献。1957年获中国科学院自然科学 一等奖，1979年获美国加州理工学院杰出 校友奖，1985年获国家科技进步奖特等奖。 1989年获小罗克维尔奖章和世界级科学与 工程名人称号，1991年被国务院、中央军 委授予“国家杰出贡献科学家”荣誉称号 和一级英模奖章。
流体力学在中国
周培源（ 1902－1993)
吴仲华（Wu Zhonghua）
1902年8月28日出生，江苏宜兴人。 理论学家、流体力学家主要从事物理学 的基础理论中难度最大的两个方面即爱 因斯坦广义相对论引力论和流体力学中 的湍流理论的研究与教学并取得出色成 果。
在1952年发表的《在轴流式、 径流式和 混流式亚声速和超声速叶轮机械中的三元流 普遍理论》和在1975年发表的《使用非正 交曲线坐标的叶轮机械三元流动的基本方程 及其解法》两篇论文中所建立的叶轮机械三 元流理论，至今仍是国内外许多优良叶轮机 械设计计算的主要依据。
流体力学在工程中的应用
航空航天航海 海洋平台
船舶运动
地效翼艇 （WIG）
潜器
浮标
流体力学在工程中的应用
能源动力
Wind Turbine 发动机四冲程
能源动力
飞机发动机
蒸汽机车
能源动力
节 能 型 建 筑
杨浦大桥
气象科学
龙卷风
气象云图
环境控制
电厂冷却塔
污水净化设备模型
生物仿生学
工程流体力学
第一章 绪 论
课程安排
学时数： 56（理论课） 课程性质：技术基础课 教 材：孔 珑《工程流体力学》第三版高等教育出版社 2007.02
参考书：杜广生《工程流体力学》中国电力出版社
孔 珑《流体力学》Ⅰ高等教育出版社 2003.9
孔 珑《流体力学》Ⅱ高等教育出版社 2003.9
陈卓如《工程流体力学》第二版 高等教育出版社 2004.1
1744年提出了达朗伯疑题（又称达朗伯佯谬），即在 理想流体中运动的物体既没有升力也没有阻力。从反面说 明了理想流体假定的局限性。
拉格朗日（J.-L.Lagrange,1736－1813）
提出了新的流体动力学微分方 程，使流体动力学的解析方法有了 进一步发展。严格地论证了速度势 的存在，并提出了流函数的概念， 为应用复变函数去解析流体定常的 和非定常的平面无旋运动开辟了道 路。
流体力学的西方史
纳维（C.-L.-M.-H.Navier）首先提出了不可压缩粘性流体
的运动微分方程组。斯托克斯（G.G.Stokes）严格地 导出了这些方程，并把流体质点的运动分解为平动、 转动、均匀膨胀或压缩及由剪切所引起的变形运动。 后来引用时，便统称该方程为纳维-斯托克斯方程。
纳维（L.Navier，1785 －1836，法国）
托里析利（E.Torricelli,1608-1647）论证了孔口出流的基本规律。
流体力学的西方史
帕斯卡（B.Pascal,1623-1662）
提出了密闭流体能传递压强的原理--帕 斯卡原理。
牛 顿 英国伟大的数学家、物理学家、天文学家和自 然哲学家。1642年12月25日生于英格兰林肯郡格兰 瑟姆附近的沃尔索普村，1727年3月20日在伦敦病 逝。牛顿在科学上最卓越的贡献是微积分和经典力 学的创建。牛顿的成就，恩格斯在《英国状况十八 世纪》中概括得最为完整："牛顿由于发明了万有引 力定律而创立了科学的天文学，由于进行了光的分 解而创立了科学的光学，由于创立了二项式定理和 无限理论而创立了科学的数学，由于认识了力的本 性而创立了科学的力学"。

流体力学的发展简史
流体力学在中国
大禹治水 4000多年前的大禹治水，说明我国古代已有大规模的治河工程。 (公元前256~210年)
秦代，在公元前256-前210年间便修建了都江堰、郑国渠、灵渠三大水利 工程，说明当时对明槽水流和堰流流动规律的认识已经达到相当水平。
龙首渠（公元前156-前87） 西汉武帝时期，为引洛水灌溉农田，在黄土高原上修建了龙首渠，创造性 地采用了井渠法，即用竖井沟通长十余里的穿山隧洞，有效地防止了黄土 的塌方。
信天翁滑翔
应用广泛已派生出很多新的分支:
电磁流体力学、生物流体力学 化学流体力学、地球流体力学 高温气体动力学、非牛顿流体力学 爆炸力学、流变学、计算流体力学等
第三节 流体的定义及特征
流体 能够流动的物质叫流体 在任何微小的剪切力的作用下都能够发生 连 续变形的物质称为流体。包括－－－气体、液体。
流体力学的西方史
阿基米德（Archimedes，公元前287－212）
欧美诸国历史上有记载的最早 从事流体力学现象研究的是古希腊 学者阿基米德在公元前250年发表 学术论文《论浮体》，第一个阐明 了相对密度的概念，发现了物体在 流体中所受浮力的基本原理──阿 基米德原理。
流体力学的西方史
列奥纳德.达.芬奇（Leonardo.da.Vinci,1452－1519）
引 言 (INTRODUCTION)
流体力学： 宏观力学。
Fluid Mechanics, Fluid Hydrodynamics， Hydrodynamics
研究对象：流体(Fluid)。包括液体和气体。 液体——无形状，有一定的体积；不易压缩，存在 自由（液）面。 气体——既无形状，也无体积，易于压缩。 研究任务：
流体力学的西方史 布拉休斯（H.Blasius）在1913年发表的论文中，提出了计算 紊流光滑管阻力系数的经验公式。 伯金汉（E.Buckingham）在1914年发表的《在物理的相似 系统中量纲方程应用的说明》论文中，提出了著名的π定理， 进一步完善了量纲分析法。 尼古拉兹（J.Nikuradze）在1933年发表的论文中，公布了 他对砂粒粗糙管内水流阻力系数的实测结果--尼古拉兹曲线， 据此他还给紊流光滑管和紊流粗糙管的理论公式选定了应有 的系数。
真Βιβλιοθήκη Baidu船闸
北宋（960-1126）时期，在运河上修建的真州船闸与十四 世纪末荷兰的同类船闸相比，约早三百多年。
潘季顺
明朝的水利家潘季顺（1521-1595）提出了“筑堤防溢， 建坝减水，以堤束水，以水攻沙”和“借清刷黄”的治黄 原则，并著有《两河管见》、《两河经略》和《河防一 揽》。
流 量
清朝雍正年间，何梦瑶在《算迪》一书中提出流量等于 过水断面面积乘以断面平均流速的计算方法。
著名物理学家和艺术家 设计建造了一小型 水渠，系统地研究了物体的沉浮、孔口出流、 物体的运动阻力以及管道、明渠中水流等问 题。
斯蒂文（S.Stevin,1548-1620）将用于研究固体平衡的凝结原理
转用到流体上。 伽利略（Galileo,1564-1642） 在流体静力学中应用了虚位移 原理，并首先提出，运动物体的阻力随着流体介质密度的增 大和速度的提高而增大。
• 气体无一定形状和体积。
• 就易变形性而言，液体与气体属于同类。
流体的易变形性： 在受到剪切力持续作用时，固体的变形一般是微小的(如 金属)或有限的(如塑料)，但流体却能产生很大的甚至无限大 (只作用时间无限长)的变形。
第三节 流体的定义及特征
当剪切力停止作用后，固体变形能恢复或部分恢复， 流体则不作任何恢复。 固体内的切应力由剪切变形量(位移)决定，而流体内 的切应力与变形量无关，由变形速度(切变率)决定。 任意改变均质流体微元排列次序，不影 响它的宏观物理性质；任意改变固体微元 的排列无疑将它彻底破坏。
从1906年起，发表了《论依附涡流》等论文， 找到了翼型升力和绕翼型的环流之间的关系， 建立了二维升力理论的数学基础。他还研究 过螺旋桨的涡流理论以及低速翼型和螺旋桨 桨叶剖面等。他的研究成果，对空气动力学 的理论和实验研究都有重要贡献，为近代高 效能飞机设计奠定了基础。
流体力学的西方史
普朗特（L.Prandtl，1875－1953）建立了边界层
流体力学的西方史
科勒布茹克（C.F.Colebrook）在1939年发表的论文中，提出
了把紊流光滑管区和紊流粗糙管区联系在一起的过渡区 阻力系数计算公式。
莫迪（L.F.Moody）在1944年发表的论文中，给出了他绘
制的实用管道的当量糙粒阻力系数图--莫迪图。至此， 有压管流的水力计算已渐趋成熟。
流体力学的西方史
瑞 利（L.J.W.Reyleigh，1842-1919英国）在相似原
理的基础上，提出了实验研究的量纲分析法 中的一种方法--瑞利法。 库 塔（M.W.Kutta，1867－1944）1902年就曾提 出过绕流物体上的升力理论，但没有在通行 的刊物上发表。
儒科夫斯基（Н.Е.Жуковский,1847－1921）
流体力学在中国
水利风力机械
在古代，以水为动力的简单机械也有了长足的发展，例如 用水轮提水，或通过简单的机械传动去碾米、磨面等。东汉 杜诗任南阳太守时（公元37年）曾创造水排（水力鼓风机）， 利用水力，通过传动机械，使皮制鼓风囊连续开合，将空气 送入冶金炉，较西欧约早了一千一百年。
流体力学在中国
流体力学的西方史 弗劳德（W.Froude，1810-1879）对船舶阻力和摇摆的研究颇 有贡献，他提出了船模试验的相似准则数--弗劳德数，建立了 现代船模试验技术的基础。 亥姆霍兹（H.von Helmholtz,1821-1894）和基尔霍夫 （G.R.Kirchhoff,1824-1887）对旋涡运动和分离流动进行了大 量的理论分析和实验研究，提出了表征旋涡基本性质的旋涡 定理、带射流的物体绕流阻力等学术成就。
流体力学的西方史
伯努利（D.Bernoulli，1700－1782） 瑞士科学家
在1738年出版的名著《流体 动力学》中，建立了流体位势 能、压强势能和动能之间的能 量转换关系──伯努利方程。 在此历史阶段，诸学者的工作 奠定了流体静力学的基础，促 进了流体动力学的发展。
流体力学的西方史
欧 拉（L.Euler，1707－1783）
经典流体力学的奠基人，1755 年发表《流体运动的一般原理》， 提出了流体的连续介质模型，建 立了连续性微分方程和理想流体 的运动微分方程，给出了不可压 缩理想流体运动的一般解析方法。 他提出了研究流体运动的两种不
同方法及速度势的概念，并论证 了速度势应当满足的运动条件和 方程。
流体力学的西方史
达朗伯（J.le R.d‘Alembert,1717－1783）
研究流体所遵循的宏观运动规律以及流体和周围 物体之间的相互作用。
研究方法
理论分析: 根据实际问题建立理论模型 涉及微分体 积法 速度势法 保角变换法 实验研究方法: 根据实际问题利用相似理论建立实验 模型 选择流动介质 设备包括风洞、水槽、水洞、 激波管、测试管系等 数值计算方法 ：根据理论分析的方法建立数学模型， 选择合适的计算方法，包括有限差分法、有限元法、 特征线法、边界元法等，利用商业软件和自编程序 计算，得出结果，用实验方法加以验证。